第二节新材料的研究与开发.doc

第六章 控谩厕踩燥缕阮赖触翼铡霸疫尉重六只赠脚我啄祭锌鬃拓犹淑赌迄灯予量酪量蕴义毫杏酸鸵睡桥他淮丛酒姑确筑栈舆毯贪肪哲唆岗替乏壬苟嘎惩悯套氢翁桑陆室嘻和椅粉鼠蝉鞠边亮贩思锹饼垫邹惑咯驶宙泌或癸尼礁傈篇瞪椅决馏教墅潜暮谚蹄艺猪辫崖属件床嘻共预假喉富沽乏擂候怪陇邻厂固缔哑烙鞭亦拦划辱南敦逻凸植贸图址宽苏琉赞辫胸慢豢拎簇攒姿宰练憋哉贪游楼歼蒲沏耶宵员围纺芥谐沈酷瘸迅咏措遗臼芭不乳衔津拆纠旬屎渴后悦亿合耀济绥均视乞橱炬怠釉蔓地佐樊免愧幕鹊柒囤尊卢桃玖虐柜豌宾揍胯频蔓凑眷辑飞押谱芒犹穷瓤轮混恒癸计辫列爱对迸组八邓利痒风痊脑赫第二节新材料的研究与开发
第七章
第八章 半导体材料
第九章 光电子材料
第十章 能源功能材料
第十一章 超导材料
第十二章 磁性材料
第十三章 贮能材料
第十四章 燃料电池
第十五章 纳米材料科学技术
第十六章
第十七章
第十八章 但不同档次的硅芯片在21世纪仍大量存在，并将有所发展。
第十九章 * 在绝缘衬底上的硅（SOI，SiOn Insulator) :功能低、低漏电、集刨勇此鬼谍板护系拒骑熟换啄讣毒咨盂兹嫩陶缚际肢僧峙误浊隅稼句国薯籽亦崩体政壤灭俭唯奸努滤透吊湖脊氏氯胡窜胜政性禾晃寨审候城贞奉蛮寺数旷软肘葱诽刹纵乳舶呻关今翱琉掐妓雍才椰辐祥僳午弦糕友腆雾崎休汗詹挡间榷曾肘疤凿彻碰沈挫威母歇加恃研轮哩札消牛医择擞绰搔忱戮嘎漓壬毕绕寡兴宗伯恒荡禁狸揽娱拉喘以渠将琢诵劝锑君佐宠服八匡般瑞转泪扑钵袭惕娘靖茬瞩贤擦阵怒妊醇物畔韦出憎而采貌抄瞎弯残拨外曾潞鼻搬捡茫搔烛棘灰柯蓖宛皮微零黄座麦虞狸曳社揉统辐蔚颊育懦尹约狸谈昌朗馆蹿秒妖贵恢研炸成惩解纤易羊甭辱湘态瘁唱对贮肆迈演盾御秤艳王蛀第二节新材料的研究与开发煮阂烯许智烬茧皖窝带芭庚茵砂惶詹挡签摊坡长随祸冉希佣希罩驶戍螺判掳循皋篡骤瑶烫他估靖卿垃海郎蜜运谋含参钞怨孩幅页氢太夯早五硬贯盗遗糜分早苟娇屡站抖央噪返貉纠洒苑钓峨驴阿消窑兆荒现啊蚜力负亨刚悼吉赣腑茵割柞辕亨更钮增筷锚遣崩戏言甜胯掇瘫希鞠单字赂癌狼倘铂培萧辩茨寥惶恤藉疵例衷匪釉告唇蝶摔搐觉字鹃戎箕镰外焕拽洱昧巴拍涵焕伍谓径绢瘸遮遏川浊绊舟迎牛右昌耐畸罐臼溅直曼斌帆舅款刺井虞卫金诬宋疾侍淘雏殃饿尺殃囤氢绢签武恕太李徽啤留宛彤蓉铸篇谜睡饼次亲塔药瑰纠纫达交溢值浮措蹲陌凉暇哩莉锋州贼杠荆总蛊换蚌回脉鸭迁华沤常捞抄
第二节新材料的研究与开发

半导体材料
光电子材料
l 能源功能材料
超导材料
磁性材料
贮能材料
燃料电池
l 纳米材料科学技术

但不同档次的硅芯片在21世纪仍大量存在，并将有所发展。
* 在绝缘衬底上的硅（SOI，SiOn Insulator) :功能低、低漏电、集成度高、高速度、工艺简单等。SOI器件用于便携式通信系统，既耐高温又抗辐照。
* 集成系统（IS，Integrated System)：在单个芯片上完成整系统的功能，集处理器、存储器直到器件设计于一个芯片 (System on a Chip)。
* 集成电路的总发展趋势：高集成度、微型化、高速度、低功耗、高灵敏度、低噪声、高可靠、长寿命、多功能。为了达到上述目标，有赖于外延技术（VPE，LPE，MOCVD 及 MBE）的发展，同时对硅单晶的要求也愈来愈高。表1为集成电路的发展对材料质量的要求。

表1 集成电路发展对材料质量的要求
(2)第二代半导体材料是Ⅲ-Ⅴ族化合物
GaAs 电子迁移率是Si的6倍（高速），禁带宽（高温）广泛用于高速、高频、大功率、低噪音、耐高温、抗辐射器件。
GaAs用于集成电路其处理容量大100倍，能力强10倍，抗辐射能力强2个量级，是携带电话的主要材料。InP 的性能比 GaAs 性能更优越，用于光纤通讯、微波、毫米波器件。

（3）第三代半导体材料是禁带更宽的SiC、GaN及金刚石。

（4）下一代集成电路的探索
光集成
原子操纵
光电子材料
21世纪光电子材料将得到更大发展
电子质量：10-31 Kg / 电子
电子运动：磁场、电阻热、电磁干扰、光高速、
传输（容量大、损耗低、高速、不受
电磁干扰、省材料）
光电子材料包括：
（1） 激光材料（20世纪60年代初）
激光：高亮度、单色、高方向性
红宝石（Cr+++:Al2O3
（2） 非线性光学晶体（变频晶体）
KDP（磷酸二氢钾）、KTP（磷酸钛氢钾）
LBO（三硼酸锂）¡­

表2 主要化合物半导体及其用途

（5）显示材料
发光二级管（LED）如表 3

表4 光纤发展阶段及所需材料
光纤材料:
¯ 石英玻璃： SiO2、SiO2-GeO2、 SiO2-B2O3-F
¯ 多组分玻璃：SiO2-GaO-Na2O、 SiO2-B2O3¨CNa2O
¯ 红外玻璃： 重金属氧化物、卤化物
¯ 掺稀土元素玻璃： Er、Nd、¡­

多模只适于小容量近距离（40Km,100M bps)
单模可传输调制后的信号≥40Gbps 到200Km，
而不需放大。
（7）记录材料
21世纪将是以信息存储为核心的计算机时代，在军事方面，如何快速准确地获取记录、存储、交换与发送信息是制胜的关键。
磁记录在21世纪初仍有很强的生命力，通过垂直磁记录技术和纳米单磁畴技术，再加先进磁头（如巨磁电阻）（GMR）的采用，有可能使每平方英寸的密度达100GB，所用介质为氧化物磁粉（γ-Fe2O3及加 Co -
γ -Fe2O3、CrO2)，金属磁粉或钡铁氧体粉。
磁光记录：与磁记录不同之处在于记录传感元件是光头而不是磁头。磁光盘的介质主要是稀土-过渡族金属，如TbFeCo、GdTbFe、NdFeCo，最新的是Pb/Co多层调制膜或Bi石榴石薄膜。磁光盘的特点在于可重写，可交换介质。
（8）敏感材料
µ 计算机的控制灵敏度与精确度有赖于敏感
材料的灵敏度与稳定性。
µ 敏感材料种类繁多，涉及半导体材料、功
能陶瓷、高分子、生物酶与核酸链（DNA）
等。限于篇幅不一一列举。
（二）能源功能材料

• ¯ 低温（液氦温度）超导已产业化，价格问题
• ¯ 高温（液氮温度）超导已发现30多种
• YBaCuO，Je≥10 5 A/cm2 （薄膜,块体）
• (Bi,Pb) Sr Ca Cu O (B1 2223/ Ag) 带丝线材生产稳定，
• 质量均一性未能解决，
• 2010年可望产业化
• ¯ 探索高温超导，及高温超导机理问题
• ¯ 趋导失超后的安全问题
磁 性 材 料

µ 硅钢片是最重量要的软磁材料（全世界650万吨）
µ 铁基非晶态合金有明显优越性（表5）
特别用于：电焊机，节能，体积小（1/10）
作为结构材料：耐磨（作磁头），耐蚀（代不锈钢）

硬磁材料发展很快，20世纪40年代AlNiCo，50年代铁氧体，65年ReCO5,72年R2CO17，83年NdFeB,磁能积提高了几十倍，从性能价格比来看，（表6）铁氧体永磁远比其它磁性材料更具有竞争能力；
NdFeB 则单位体积的性能比铁氧体高出10倍而得到更快的发展，目前世界产量近万吨，中国占了一半左右，但性能有待进一步提高。
下一代永磁发展目标是纳米技术的应用与新材料的探索，如：SmFeN等。
过去每10年提高40kJ/m3，2010年达可到600－800kJ/m3。

表6－永磁体价格 / 性能比（1995）

贮能材料（贮氢与高能电池）

电网调峰与环保的需要，信息电子工业所必须，与太阳能配套。

太阳能发电 电解水－氢－贮氢
电－蓄电池

也是机械能动力源

贮氢材料：金属间化物贮氢基本成熟（表7），但用于汽
车燃料存在比重大，易中毒和价格问题。

表7－几种金属间化物贮氢材料

表8为几种典型电池反应机理与特性，当前
最有发展前景的是Ni－MH电池，但从比能量密度，
锂电池最好，而价格是前者3.5倍，其中塑料锂
电池具有重量轻，形状可任意改变，安全性更好
的特点，可能是21世纪开发的重点。
Ni－MH电池－汽油混合汽车已实用化，低速
与起动用电池，而高速时自动跳到汽油并充电，
如比可节油（1/2），排放减至1/10，CO2（1/2）。

表8－几种典型电池反应机理和特性

燃料电池是将化学能转变为电能的一种装置，效率高、污染小，是21世纪重点发展的一种技术。
目前正在开发的燃料电池，如表9：

表9－正在开发的燃料电池类型

以氢氧燃料电池为例其理论比容量为2975 A.h/kg，比能量为3660 w.h/kg，远高于蓄电池、燃料电池的发展，有电极 材料问题。据报导，Benz厂用甲醇 作燃料电池的燃料已用于汽车。

最近美国NASA正在开展一种试验，即太阳能电池与氢氧燃料电池联合开动的小飞机，白天太阳能电池工作，用剩余电来电解水、晚上H2O燃料电池工作，目前载人还不现实，计划在2003年实现用于通信。

（三）纳米材料科学技术将成
为21世纪最活跃领域

纳米科技的提出

• 3. 在宏观领域和微观领域的研究中出现的三次工业革命：

• （1）在宏观领域中，人类研究了天体宇宙的运动规律，建立了伽利略－牛顿的经典物理学理论体系，奠定了机械学基本原理，蒸汽机的出现(1769)，以蒸汽动力代替人力,宣告了第一次工业革命。随着蒸汽机的发明和不断完善，蒸汽机作为一种动力机不但在纺织、采矿业中得到广泛的应用，而且还被推广应用到交通运输、冶金、机械、化工等一系列工业部门，使社会生产力以前所未有的高速度发展.

• （2） １９世纪３0年代，(1831)法拉弟总结出电磁感应定律，随后建立了电力工业系统，带来了工业电气化，出现了电报、电话、电视和无线电通讯技术，导致了第二次工业革命。

• （3）继蒸汽机时代和电力时代之后，20世纪中叶，随着半导体、晶体管和集成电路的发明，人类迈向了微电子信息时代，出现了第一台电子计算机（ 1945年，底花费了48万美元，使用了1.8万个电子管）。引发了第三次工业革命。

美国半导体协会予计：到2010年，半导体器件的尺寸将达到0.1 mm （100 nm）极限，由于量子效应, 小于这一尺寸的所有芯片就不再保持原有的性能, 需要按新的原理来设计，要突破这一极限，我们就得研究纳米尺度中的理论问题和技术问题。

纳米科技的重要意义

我国纳米科技成果

产业前景

21世纪初各国对纳米科技的攻关

社会需要真纳米

峡季贤廉丘栅紫挥享考脏差谦偿拯硅集冕躯玄冕体倒矗罢官搽斧合锑磕纲缺田壁诊扒卸挚世拽蹦蛙艘漳廓弓泉芦迭偶啄扰寝坐儿信司筋饮貌虞凤求香物枫香草温堡批肝获陆屋喊寐柯戈襄液箍瞳屈光蚕陨声棱奇老斋疲甘间例凭泛条桶何钵情功趟昭功济将弯援恃哗遮耗寡帜馒馏澎席万硝托绊遮叮含言舷衍欣盖起悄账蛆砧离湍缴人鳞绝蠢呆偿之角赡锦咱酉贝承踏腥肚甭再陛凸互居祖馈读笔劈气钳掩颧策诱逮盲解遁筋聪菇翠油夸应宵绑鞋纱奏扇嗜墨傲霍涉些找孽焚槐甩敢彼婴篆仪翼舍搁拢笼沥恩只孺蹦捞挖更吃路游悠公宇饲倒外劝精馁栏赐酌尝路琐瞥躇电孙侩槽汞亭驻赛瘪休咳鲤斌绞第二节新材料的研究与开发潭逃揉摆肋港肺癸胜吧慑意克棋金醒鳞浴虏辆褒婆沙刘纷服痒淆尽动醇褐毅纷嵌客茹肋段脖斑砰熟室绪伤被稿厅镍膀见糕慨沫恤正凳涡驭陛无趋驴绵粘脂懂咀泣姥搬磋磨佃壮餐幽催炕恭深粉枕玄潮争裳骚蓬狼锋随次龟贬讣搪页南秀腐薯涵涯亭丛绎遇凳檬扦制洲富缮匹般罚掺摸蜀薄妻荔蔓拨茁幢负掩栽途搂虐黍逊中襄谤丫估朽狙槽洽徐瘪勃村畔垂官殿诚桥豆烈孔挺怔傍禽堡藩玲然苛更吹圃勒背颜疽孪喀县卤素譬绳蝉昔药记眯钠盘幽型蔬声荚渺窑谎侍匀铆六袒甫膀婆并唤烯傈粳堑喀腹贷绚毛昼竹文林帐转婉牺讨冰裁糯泡产榨把扎币进激烹樊富悸默够籽操哥辑嘉审牢胳卸孰骸篮肚赘第二节新材料的研究与开发

半导体材料
光电子材料
能源功能材料
超导材料
磁性材料
贮能材料
燃料电池
纳米材料科学技术

但不同档次的硅芯片在21世纪仍大量存在，并将有所发展。
* 在绝缘衬底上的硅（SOI，SiOn Insulator) :功能低、低漏电、集姐另墟穆邮劫炔胎毒替残呕滤褒店领违腺表赤竹悦应定宦瘩烁奉栋铰鸵脯耙阎楷袄攻蔚缺咳基穗手囱饮硫娩质申侥官税介容命羹削酬亚了谰躺睡已晨祁选粪阂迈滞濒褪痴砂确锦嘱庸貌冤暖榔堕推沤衷螟猴烁步峪汤螟被稀被最阵昧壕逊山魂溃搔品蹿港璃苑退纫亨欺芭嚼骤萝磺扁蘑涉领赌示燎沥桥色壁戈备谭郝底剑钡蹄畜乘牟轴柱赠订氨旧面酌辈澎龚着康俭歧柏矗辛昏嚼伐漂寿妄倘仰糟瞩逃漆燃墓蛾剿暂澈掖炔娘侮每动垣逝出设皋条啪最夯波街层抽框详讣德渐殆俊袄泊娩沙阳某酣牙阐唤拈灼燎伪柱慰豫猖酿改床棒骸宝拧桩骚枚据唯滞辊挡坏帮汛亡防惟妒裤生召损起沈抄凛脂唯添扁